EP2170481A2 - Verfahren zur aufarbeitung von koaleszenzgehemmten emulsionen aus ganzzell-biotransformationen mit komprimierten oder überkritischen gasen, insbesondere mit kohlendioxid - Google Patents

Verfahren zur aufarbeitung von koaleszenzgehemmten emulsionen aus ganzzell-biotransformationen mit komprimierten oder überkritischen gasen, insbesondere mit kohlendioxid

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EP2170481A2
EP2170481A2 EP08784358A EP08784358A EP2170481A2 EP 2170481 A2 EP2170481 A2 EP 2170481A2 EP 08784358 A EP08784358 A EP 08784358A EP 08784358 A EP08784358 A EP 08784358A EP 2170481 A2 EP2170481 A2 EP 2170481A2
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EP
European Patent Office
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emulsion
compressed
carbon dioxide
supercritical gas
container
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08784358A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Gabriele Sadowski
Andreas Schmid
Bruno BÜHLER
Michael GÖRNERT
Christoph Brandenbusch
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Universitat Dortmund
Technische Universitaet Dortmund
Original Assignee
Universitat Dortmund
Technische Universitaet Dortmund
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Filing date
Publication date
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Application filed by Universitat Dortmund, Technische Universitaet Dortmund filed Critical Universitat Dortmund
Publication of EP2170481A2 publication Critical patent/EP2170481A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N1/00—Microorganisms, e.g. protozoa; Compositions thereof; Processes of propagating, maintaining or preserving microorganisms or compositions thereof; Processes of preparing or isolating a composition containing a microorganism; Culture media therefor
    • C12N1/02—Separating microorganisms from their culture media
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D17/00—Separation of liquids, not provided for elsewhere, e.g. by thermal diffusion
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D17/00—Separation of liquids, not provided for elsewhere, e.g. by thermal diffusion
    • B01D17/02—Separation of non-miscible liquids
    • B01D17/04—Breaking emulsions
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N1/00—Microorganisms, e.g. protozoa; Compositions thereof; Processes of propagating, maintaining or preserving microorganisms or compositions thereof; Processes of preparing or isolating a composition containing a microorganism; Culture media therefor
    • C12N1/06—Lysis of microorganisms
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D21/00—Separation of suspended solid particles from liquids by sedimentation
    • B01D21/02—Settling tanks with single outlets for the separated liquid

Definitions

  • the invention relates to a process for working up coalescence-inhibited emulsions from whole-cell biotransformations with compressed or supercritical gases, in particular with carbon dioxide, according to the preamble of claim 1.
  • an aqueous-organic two-phase system For the biocatalytic conversion of apolar organic molecules, an aqueous-organic two-phase system is often used [1-5].
  • This system permits the use and accumulation of high concentrations of poorly water-soluble substrates and products, the organic phase consisting of an apolar, non-toxic solvent or a mixture of several solvents serving as a substrate reservoir and / or as a product sink.
  • the organic phase protects against toxic effects of substrates and products.
  • the characteristic distribution of substrates and products in the two phases can be used to prevent kinetic product inhibition, direct equilibrium reactions in the desired direction, increase enantioselectivity, and control multi-step reactions.
  • Such two-phase systems are highly emulsified to achieve high mass transfer rates.
  • the formation of stable emulsions is also promoted by high biocatalyst concentrations, especially when whole microbial cells are used.
  • high concentrations of macromolecular surface-active substances lipids, proteins, polysaccharides, biosurfactants, cell debris
  • phase separation Since in bi-phase bioprocesss, apart from product isolation, for economic and ecological reasons, solvent recycling is also essential, the two phases must be separated from each other after biotransformation. These Phase separation has proven to be difficult with stable coalescence-inhibited emulsions, such as occur when whole microbial cells are used. Various methods for phase separation, such as centrifugation, membrane filtration, filter coalescence, addition of de-emulsifiers or thermal processes, gave unsatisfactory results or were very expensive in terms of apparatus and time [7]. Complex phase separation is considered to be a major limitation for the industrial implementation of biphasic bioprocesses with their great economic as well as ecological potential. In the field of phase separation in two-phase whole-cell biotransformations there is therefore a need for innovation.
  • the systems are initially roughly separated from the biotransformation by centrifugation. Subsequently, several filtration and (UItra) centrifugation steps are carried out in order to achieve a sufficient separation.
  • the organic phase obtained in this way is then subjected to a distillative or extractive work-up in order to separate off the desired product (however, sufficient phase separation can not be achieved.) It is therefore not possible to completely separate the organic product containing the desired value from the aqueous phase separate, which makes further processing considerably more difficult).
  • a disadvantage of the previous methods is in addition to the high number of purification steps, the possibly necessary use of a solvent used for extraction, which must then be recovered again.
  • the separation of aqueous-organic biphasic systems under discussion here is described below by way of example by the separation of coalescence-inhibited emulsions from biphasic whole-cell biotransformations, for example in apolar solvents.
  • the reaction mixture present here after biotransformation does not separate spontaneously and, after prolonged standing, essentially exists as shown in FIG.
  • the mixture is optically composed of three phases, with a milky organic / aqueous emulsion forming the upper phase (I), which in addition to the organic solvent contains the educt, by-products and the product.
  • the second optically identifiable phase (II) is an aqueous phase in which the nutrients necessary for cultivation (which are also partially present in the emulsion) are located and from which the cells / biomass (III) are in a third phase drop.
  • oil-in-water emulsions [10, 11] are frequently used, examples of which are known, for example, from US Pat. No. 6 566 410 B1 Similar applications are for example from DE 101 14 920 A1 for the extraction of organic monomers known.
  • the invention is based on a process for working up a coalescence-inhibited emulsion comprising constituents of whole-cell biotransformations such as cells, soluble cell constituents, organic solvents and / or water.
  • a process for working up a coalescence-inhibited emulsion comprising constituents of whole-cell biotransformations such as cells, soluble cell constituents, organic solvents and / or water.
  • the coalescence-inhibited emulsion stable after the biotransformation is admixed in excess in a container with at least one compressed or supercritical gas and mixed at elevated pressure and elevated temperatures for a prescribable period of time, after which the aqueous and the organic phase of the emulsion separate from each other and the cells and cell constituents separate both the aqueous and the organic phase in the range of their interfaces or phase boundaries and then separated.
  • the compressed or supercritical gas such as carbon dioxide
  • a pressure eg about 115 bar and at a temperature of about 45 ° C, for example preferably mixed intensively with the compressed or supercritical gas for 2 minutes.
  • a sharp separation of the aqueous and organic phase is then observed, whereby cell constituents at the interfaces of the phases (for example also at an interface to a container or the like) both at the lower end of the aqueous phase and the organic phase deposit. These cell constituents can now be easily separated, since they sediment faster than the original emulsion.
  • the inventive method offers an enormous potential to separate emulsions from biocatalytic processes (such as whole-cell biotransformations using microorganisms as catalysts) and work up with little equipment and cost.
  • compressed or supercritical gases such as compressed carbon dioxide as a solvent, high efficiency can be achieved in further process steps.
  • the cells (IV) present in the aqueous phase (IM) settle at the bottom of the vessel, but also that the cell fragments present in the interphase / emulsion phase / Collect macromolecules (II) at the phase interface between an organic phase (I) and an aqueous phase (III). This is done after switching off the stirrer within a very short time (typically less than 2 minutes).
  • the volume ratio of organic to aqueous phase is advantageously 1: 1.
  • the separation state obtained by working up with compressed or supercritical gas, such as compressed carbon dioxide, is retained even after expansion and outgassing of the compressed or supercritical gas (and remixing).
  • compressed or supercritical gases can furthermore achieve that, depending on the composition and properties of the emulsion, a suitable compressed or supercritical gas or even a plurality of such gases can be introduced simultaneously into the emulsion so as to separate the emulsion into the different ones Phase to allow.
  • the method is therefore basically feasible with all compressed or supercritical gases, which is particularly favorable to carry out with carbon dioxide.
  • the compressed or supercritical gas as carbon dioxide, this is always to be regarded as an exemplary abbreviation for the term compressed or supercritical gas and to be interpreted in the sense that beside or alternatively to the expressly mentioned Carbon dioxide, other compressed or supercritical gases, whether individually or as mixtures, can be used according to the information described herein.
  • a gas whose critical data is similar to the critical data of carbon dioxide is used as the compressed or supercritical gas. Since the solubility of carbon dioxide in emulsions is particularly advantageous for the separation of the emulsion, it can be expected, even when using compressed or supercritical gases with similar critical data and / or solution properties, that a corresponding separation of the phases of the emulsion can be brought about.
  • similarity of the critical data and / or solution properties it is to be understood that similar effects can be brought about in the emulsion, as was also the case with carbon dioxide.
  • propane, butane or the like gases are used as the compressed or supercritical gas.
  • the critical data and solution properties of such low-valent hydrocarbons is quite similar to that of carbon dioxide and thus also suitable for carrying out the method according to the invention.
  • such gases are available at low cost and non-technical largely unproblematic.
  • the gas when using a compressed or supercritical gas with a poorer solution property than carbon dioxide in the emulsion, the gas is introduced under increased pressure in the emulsion and / or the emulsion is separated and thus the poorer solution properties are at least partially compensated.
  • the cells and cell constituents deposit at the lower end of both the aqueous and the organic phase.
  • these separate phases can be subjected to further purification, in particular for obtaining a valuable substance contained in at least one of the phases.
  • the substance of value is any substance within the emulsion which represents a desired result of the biocatalytic process and is to be made available for use in conventionally technical quantities.
  • the aqueous phase with the separated cells and cell constituents and the organic phase with the separated cells and cell constituents are separately withdrawn from the separated emulsion and separated in each case for further purification, for example by sedimentation processes or the like Extraction of cells or cell components can be subjected.
  • the emulsion may be mixed in a container with the compressed or supercritical gas in so-called batch mode, whereupon the phases separate in the same container after mixing and form a layered arrangement of the individual phases or components in the container, whereupon the phases or components from the individual layers are withdrawn separately from the container.
  • the emulsion is intensively mixed in a first container with the compressed or supercritical gas and the homogeneous mixture of emulsion and compressed or supercritical gas produced thereby is placed in a second container , in which the phases, preferably at slow ren, separate and form a layered in the second container arrangement of the individual phases or constituents, after which the phases or components from the individual layers are withdrawn separately from the second container.
  • the phases preferably at slow ren, separate and form a layered in the second container arrangement of the individual phases or constituents, after which the phases or components from the individual layers are withdrawn separately from the second container.
  • the emulsion is mixed intensively in a first container with the compressed or supercritical gas and the homogeneous mixture of emulsion and compressed or supercritical gas is transferred to a second container in which the aqueous and the organic phase, preferably with slow stirring, separate, after which the aqueous and the organic phase are withdrawn separately from the second container in more containers in which then separate the cells and cell components of the aqueous and the organic phase and the compressed or supercritical gas to let.
  • the work-up involves an extraction step for obtaining a valuable substance, preferably from the organic phase of the emulsion. tet.
  • a valuable substance preferably from the organic phase of the emulsion.
  • Such extractions even using, for example, supercritical carbon dioxide as a compressed or supercritical gas are basically known and are used, for example, often for the extraction of individual substances from plant components such as in spice production.
  • the valuable substance can be separated out directly from the emulsion and withdrawn separately and / or together with impurities.
  • the residual emulsion is further separated in a subsequent extraction of the valuable substance following separation with the addition of compressed or supercritical gas and the constituents of the residual emulsion are separated off separately. This also allows reusable substances to be specifically recovered.
  • an extraction can be carried out by means of compressed or supercritical gas.
  • the compressed or supercritical gas already used in the cell / emulsion separation can also be used for extraction. This can be easily recovered after the extraction by lowering the pressure and used again in the process.
  • at least one process step from chromatography, crystallization, distillation, adsorption, absorption, membrane processes or filtration or combinations of these methods can be used.
  • FIG. 1 shows a typical arrangement of the phases in a reaction mixture after biotransformation and after settling
  • FIG. 2 shows a typical arrangement of the phases in a reaction mixture according to FIG.
  • FIG. 1 after prolonged centrifugation
  • FIG. 3 typical arrangement of the phases in a reaction mixture after the application of the method according to the invention
  • FIG. 4 shows a first preferred embodiment of an apparatus for carrying out the method according to the invention for separating the coalesced-inhibited emulsion
  • FIG. 5 shows another preferred embodiment of an apparatus for carrying out the method according to the invention for separating the coalescence-inhibited emulsion in two steps
  • FIG. 6 shows a further preferred embodiment of an apparatus for carrying out the method according to the invention for separating the coalescence-inhibited emulsion
  • FIG. 7 shows a first possibility for the realization of the product processing by emulsion separation after the extraction of the desired product
  • FIG. 8 shows another possibility for realizing the product processing by emulsion separation before extraction of the desired product
  • FIG. 9 shows a further possibility for the realization of the product work-up by emulsion separation before an isolation of the desired product by one or more further separation step (s),
  • FIG. 10 shows the extraction behavior of the emulsion for a sample solution
  • FIG. 11 is a table of critical data of selected fluids that are used in industrial applications for use in high pressure processing and can also be used in the process of the present invention.
  • FIGS. 4 to 10 Various processes are shown in FIGS. 4 to 10, with which an emulsion resulting from a biotransformation can be separated into its individual constituents, whereby this process is also particularly suitable for industrial use.
  • the cell suspension from a biotransformation (phases I, II and III from FIG. 1) is introduced directly into a pressure vessel (FIG. 6) and heated to about 45 ° C.
  • compressed or supercritical gas e.g. Carbon dioxide added to the emulsion until the carbon dioxide content based on the total mass is about 75%.
  • the pressure of the mixture is increased to about 115-120 bar and intensively mixed for at least two minutes.
  • the desired phase and cell separation sets in the pressure vessel, as shown schematically in Figure 3.
  • the phase IV represents an amount of cells separated from the aqueous phase III.
  • the system obtained can be subjected to a simple separation in one or two settler units and / or the organic phase can be fed directly to a subsequent supercritical extraction with carbon dioxide to get the actual value product out of it.
  • phase separation is maintained even after draining the carbon dioxide. So can subsequently also at atmospheric pressure room temperature a significantly improved and faster phase separation can be observed.
  • the cell constituents formerly in the emulsion (phase I in FIG. 1 and phase II in FIG. 2) are now located at the phase interface between the aqueous phase (phase II in FIG. 1 and phase III in FIG. 2) and organic phase (FIG. Phase I in Fig. 2 and Fig. 3) and can be easily separated (Phase II and for the cells Phase IV in Figure 3).
  • extraction of the valuable substance can be carried out after separation of the emulsion, provided that the valuable substance dissolves in the carbon dioxide under the given conditions.
  • the solid constituents from the respective phases are separated by sedimentation.
  • This process is outlined in FIG.
  • the reaction mixture is added together with carbon dioxide under elevated pressure and elevated temperature in a pressure vessel M1 and thoroughly mixed there.
  • the homogeneous emulsion is placed in container B1, where, with further stirring, a phase separation between organic phase with cell fragments / macromolecules and aqueous phase with cells / biomass sets.
  • the respective phases can then be transferred to the containers B2 - B4.
  • the solids are separated by sedimentation.
  • the batch operation in a single container is also conceivable in which the reaction mixture is first mixed for a certain time with the addition of compressed carbon dioxide and after switching off the stirrer / homogenizer M the gravimetric waits for separation. Again, the respective phases can then be deducted directly (see Figure 6).
  • the reaction mixture is added together with carbon dioxide under elevated pressure and elevated temperature in a pressure vessel and thoroughly mixed for a certain time. Subsequently, the stirrer / homogenizer M is switched off / slowed down, so that a phase separation occurs.
  • the respective phases can then be deducted directly to subject them to further purification.
  • the process illustrated in FIG. 7 offers the advantage that the desired product can be extracted directly from the emulsion.
  • the emulsion is transferred directly to an extraction.
  • the product of value extracts directly.
  • the value product precipitates and the carbon dioxide can be recycled.
  • the remaining emulsion is subjected to the described phase separation with compressed carbon dioxide, whereby in further steps a simple separation of the solid constituents and a recycling of the solvent can take place.
  • the mass flow supplied to the extraction is large.
  • Previous separation of the aqueous phase which typically contains virtually no desired product, can significantly reduce this mass flow, which can lead to more efficient workup, as shown in FIG.
  • the emulsion is subjected to the described phase separation with compressed carbon dioxide, the aqueous phase being separated off with cells / biomass.
  • the remaining organic phase is subjected to a further purification step (e.g., a compressed CO2 extraction) in which the solids contained in the organic phase are separated by sedimentation
  • FIG. 10 shows, by way of example, the extraction behavior of the emulsion when the method according to the invention is used. Plotted is the concentration of the specified substances in the organic phase. It can be seen that the emulsion treated with 75% by mass of CO 2, in contrast to the original emulsion, has a significantly reduced concentration of the valuable substance styrene oxide.
  • a two-phase system was considered after the phase separation according to the previously proposed method.
  • This consisted of an aqueous phase, and bis-2 (ethylhexyl) phthalate as the main constituent of the organic phase, in addition to the desired product styrene oxide and octane, styrene and 2-phenylethanol were present.
  • Both phases were analyzed by gas chromatography before and after treatment with carbon dioxide.
  • the concentration of the valuable substance styrene oxide in the organic phase was greatly reduced by the treatment with carbon dioxide; Styrene oxide could not be detected in the aqueous phase. Styrene oxide was evidently extracted into the carbon dioxide-rich phase.
  • FIG. 11 shows in a table a list of critical data of selected fluids which are used in industrial applications for use in high-pressure process processes and can also be used in the method according to the invention.
  • this table is given by way of example only and does not limit the use of other compressed or supercritical gases in the process of the invention.

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Abstract

Das vorgestellte Verfahren stellt eine Möglichkeit zur Trennung von Emulsionen aus Ganzzell-Biotransformationen dar, die es ermöglicht, mittels mindestens einem komprimierten oder überkritischen Gas sich bei einer solchen Biotransformation ergebende stabile Emulsionen aus typischen biokatalytischen Zweiphasenprozessen effektiv zu trennen. Dabei kann durch die Verwendung von komprimiertem oder überkritischem Gas als Trennmittel eine überkritische Extraktion direkt nachgeschaltet werden, um das Wertprodukt zu erhalten. Unerheblich ist dabei, ob das Wertprodukt in der wässrigen oder organischen Phase vorliegt. Ein Recycling der organischen Phase ist möglich, da sich die oberflächenaktiven Zellbestandteile, die maßgeblich für die Bildung der stabilen Emulsion verantwortlich sind, aufgrund der Behandlung durch Sedimentation abtrennen lassen. Die erzielte Trennung bleibt dabei auch nach Ausgasen des komprimierten oder überkritischen Gases bestehen, so dass neben der Extraktion auch andere Verfahren zur Produktisolation angeschlossen werden können, sofern dies erforderlich ist. Die beschriebene Erfindung beinhaltet dabei ein enormes Potential, ökonomisch wie auch ökologisch hoch interessante biokatalytische Zweiphasenprozesse industriell zu nutzen.

Description

Verfahren zur Aufarbeitung von koaleszenzgehemmten Emulsionen aus Ganzzell-Biotransformationen mit komprimierten oder überkritischen Gasen, insbesondere mit Kohlendioxid
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufarbeitung von koaleszenzgehemmten Emulsionen aus Ganzzell-Biotransformationen mit komprimierten oder überkritischen Gasen, insbesondere mit Kohlendioxid gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.
Für die biokatalytische Umsetzung von apolaren organischen Molekülen wird häufig ein wässrig-organisches Zweiphasensystem verwendet [1-5]. Dieses System erlaubt den Einsatz und die Akkumulation von hohen Konzentrationen schlecht wasserlöslicher Substrate und Produkte, wobei die organische Phase, bestehend aus einem apolaren, nicht toxischen Lösungsmittel oder einem Gemisch mehrerer Lösungsmittel als Substratreservoir und/oder als Produktsenke dient. Zudem schützt die organische Phase vor toxischen Effekten von Substraten und Produkten. Des Weiteren kann die charakteristische Verteilung von Substraten und Produkten in den beiden Phasen dazu genutzt werden, kinetische Produktinhibition zu verhindern, Gleichgewichtsreaktionen in die gewünschte Richtung zu lenken, die Enantioselektivität zu erhöhen und Mehrschrittreaktionen zu kontrollieren.
Typischerweise werden solche Zweiphasensysteme stark emulgiert, um hohe Mas- sentransferraten zu erreichen. Gefördert wird die Bildung von stabilen Emulsionen auch durch hohe Biokatalysator-Konzentrationen, speziell wenn ganze mikrobielle Zellen eingesetzt werden. Hierbei treten hohe Konzentrationen makromolekularer oberflächenaktiver Substanzen (Lipide, Proteine, Polysaccharide, Biosurfactants, Zelltrümmer) auf [6-9].
Da bei zweiphasigen Bioprozessen neben der Produktisolation aus ökonomischen und ökologischen Gründen auch das Lösungsmittelrecycling essentiell ist, müssen die zwei Phasen nach der Biotransformation voneinander getrennt werden. Diese Phasentrennung hat sich bei stabilen koaleszenzgehemmten Emulsionen, wie sie beim Einsatz von ganzen mikrobiellen Zellen auftreten, als schwierig erwiesen. Verschiedene Methoden zur Phasentrennung wie Zentrifugation, Membranfiltration, FiI- terkoaleszenz, Zugabe von Deemulgatoren oder thermische Verfahren lieferten un- befriedigende Resultate oder waren apparativ sowie zeitlich sehr aufwendig [7]. Die aufwendige Phasentrennung gilt als eine Hauptlimitation für die industrielle Implementierung von zweiphasigen Bioprozessen mit ihrem großen ökonomischen wie auch ökologischen Potenzial. Im Bereich der Phasentrennung bei zweiphasigen Ganzzeilbiotransformationen besteht also Innovationsbedarf.
Typischerweise werden die Systeme aus der Biotransformation durch Zentrifugation zunächst grob getrennt. Anschließend werden mehrere Filtrations- und (UIt- ra)zentrifugationsschritte durchgeführt, um eine hinreichende Trennung zu erreichen. Die so sehr aufwändig gewonnene organische Phase wird anschließend einer destil- lativen oder extraktiven Aufarbeitung unterzogen, um das Wertprodukt abzutrennen (Dabei kann jedoch keine hinreichende Phasentrennung erreicht werden. Daher ist es nicht möglich, die wertprodukthaltige organische Phase vollständig von der wäss- rigen Phase zu trennen, was die weitere Aufarbeitung erheblich erschwert).
Bei anderen Trennverfahren wird versucht, nach einer groben mechanischen Abtrennung von anderen Bestandteilen die Emulsion destillativ aufzureinigen, wobei Probleme durch Fouling und Zweiphasigkeiten in der Kolonne auftreten. Bei einem enzymatischen Verfahren wird die Emulsion durch Einsatz von Hydrolasen mit guten Ergebnissen getrennt. Bis auf das letztgenannte Verfahren sind alle bisherigen Verfahren nicht in der Lage, eine definierte Phasentrennung zu erzielen. Eine vollständige Abtrennung sowohl der Zellbestandteile, als auch der wässrigen Phase von der organischen Phase ist bisher nicht möglich. Die Abtrennung der Zellmasse ist dabei von großer Bedeutung, da sie in nachfolgenden Prozessschritten zu Verkrustungen oder Verstopfungen führen kann. Mit den geschilderten alternativen Lösungsansätzen kann des Weiteren keine dauerhafte Trennung der Phasen erreicht werden. Nachteilig bei den bisherigen Verfahren ist weiterhin neben der hohen Anzahl an Aufreinigungsschritten der ggf. notwendige Einsatz eines zur Extraktion verwendeten Lösungsmittels, das anschließend wieder zurückgewonnen werden muss. Die hier zur Diskussion stehende Trennung wässrig-organischer Zweiphasensysteme sei im weiteren beispielhaft an der Trennung koaleszenzgehemmter Emulsionen aus zweiphasigen Ganzzeilbiotransformationen beispielsweise in apolaren Lösungsmitteln beschrieben. Das hierbei nach erfolgter Biotransformation vorliegende Reaktionsgemisch trennt sich nicht spontan und liegt nach längerem Stehenlassen im Wesentlichen wie in Figur 1 dargestellt vor. Das Gemisch besteht optisch aus drei Phasen, wobei eine milchige organisch/wässrige Emulsion die obere Phase (I) bildet, die neben dem organischen Lösungsmittel das Edukt, Nebenprodukte und das Produkt enthält. Des Weiteren enthält diese Emulsion auch gelöste Bestandteile und oberflächenaktive Stoffe (Salze, Nährstoffe, Lipide, Proteine, Polysaccharide, Biosur- factants). Die zweite optisch identifizierbare Phase (II) ist eine wässrige Phase, in der sich die zur Kultivierung notwendigen Nährstoffe (die teilweise auch noch in der E- mulsion vorhanden sind) befinden und aus welcher sich die Zellen/Biomasse (III) in einer dritten Phase absetzen.
Die Komplexität des vorliegenden Reaktionsgemischs wird noch deutlicher, wenn man versucht, das Zweiphasensystem durch konventionelle Verfahren wie Zentrifu- gation zu trennen. So erhält man auch nach langem Zentrifugieren das in Figur 2 dargestellte Erscheinungsbild. Nach längerer Zentrifugation des Gemisches aus Figur 1 ist der Einfluss der in der Emulsion vorliegenden makromolekularen oberflä- chenaktiven Substanzen (Lipide, Proteine, Polysaccharide, Biosurfactants, Zelltrümmer) deutlich erkennbar. Während sich die in der wässrigen Phase enthaltenen Zellen am Boden des Gefäßes absetzen (IV), und die wässrige Phase (III) eine scharfe obere Phasengrenzfläche aufweist, kann in der Emulsion (Phase I in Figur 1 ) nur eine unzureichende Trennung in eine organische Phase (I) und eine Inter- bzw. Emulsionsphase (II) beobachtet werden.
Es sind verschiedene Anwendungsfälle bekannt, bei denen eine Begasung einer Emulsion aus Öl und Wasser mittels CO2 zur Trennung der beiden Bestandteile Öl und Wasser verwendet wurde. So ist etwa aus der DE 40 28 904 C1 oder der DE 197 54 756 C1 jeweils ein derartiges Verfahren bekannt, bei dem sog. Kühlschmier- mittel zur Kühlung maschineller Bearbeitungsprozesse nach dem Gebrauch auf diese Weise aufbereitet werden. Derartige Emulsionen sind jedoch sehr einfach zu trennen, da es sich hierbei um nur relativ instabile einfache Emulsionen aus zwei sich recht unterschiedlich verhaltenden Stoffen handelt und in der Regel keine die Emul- gation stabilisierenden Bestandteile biochemischer Natur enthalten sind.
Auch in petrochemischen Prozessen treten vielfach „Öl in Wasser"-Emulsionen [10, 11] auf, die beispielhaft etwa auch aus der US 6 566 410 B1 bekannt sind. Ähnliche Einsatzgebiete sind etwa aus der DE 101 14 920 A1 zur Extraktion von organischen Monomeren bekannt.
Es sind weiterhin Verfahren bekannt, bei denen mittels Kohlendioxid Extraktionen von Biomaterialien vorgenommen werden, die in einphasigen Substanzgemischen vorliegen (und Verunreinigungen aufweisen). Bei derartigen Verfahren dient das Kohlendioxid jedoch als Träger chemischer Substanzen, die die entsprechende Extraktion ausführen und diese Verfahren können daher nicht mit der Entmischung mehrphasiger Substanzgemische verglichen werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, mit dem die Bestandteile von koaleszenzgehemmten Emulsionen aus Ganzzell-Biotrans- formationen derart voneinander getrennt werden können, dass sich eine saubere und hinsichtlich des Mengendurchsatzes ergiebige Trennung in kurzer Zeit durchführen lässt.
Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 in Zusammenwirken mit den Merkmalen des Oberbeg- riffes. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Aufarbeitung einer koaleszenzgehemmten Emulsion aufweisend Bestandteile aus Ganzzell-Biotransformationen wie Zellen, lösliche Zellbestandteile, organische Lösungsmittel und/oder Wasser. Hierbei wird in erfindungsgemäßer Weise ein derartiges Verfahren dadurch weiter entwickelt, dass die nach der Biotransformation stabile, koaleszenzgehemmte Emulsion in einem Behälter mit mindestens einem komprimierten oder überkritischen Gas im Überschuss versetzt und bei erhöhtem Druck und erhöhten Temperaturen für eine vorgebbare Zeitdauer gemischt wird, wonach sich die wässrige und die organische Phase der Emulsion voneinander trennen und sich die Zellen und Zellbestandteile sowohl der wässrigen als auch der organischen Phase im Bereich von deren Grenzflächen oder Phasengrenzflächen abscheiden und anschließend separiert werden. Nach dem Zusetzen des komprimierten oder überkritischen Gases wie etwa Kohlendioxid vorzugsweise im Überschuss (z.B. von etwa 3 Massenanteilen komprimiertem Kohlendioxid je Massenanteil Emulsion) und vorzugsweise unter einem Druck von z.B. etwa 115 bar und bei einer Temperatur von z.B. etwa 45°C wird die Emulsion für vorzugsweise 2 Minuten intensiv mit dem komprimierten oder überkritischen Gas gemischt. Je höher die verwendete Temperatur hier gewählt wird, umso höher sollte auch der Druck gewählt werden. Nach dem Abstellen des Mischers ist anschließend eine scharfe Trennung der wässrigen und organischen Phase zu beobachten, wobei sich Zellbestandteile an den Grenzflächen der Phasen (etwa auch an einer Grenzfläche zu einem Behälter oder dgl.) sowohl am unteren Ende der wässrigen Phase und der organischen Phase abscheiden. Diese Zellbestandteile können nun einfach abgetrennt werden, da sie im Gegensatz zur Ursprungsemulsion schneller sedimentie- ren. Auch nach der Druckentspannung trennen sich die Phasen selbst nach wiederholter Durchmischung wieder schnell voneinander. Die wertprodukthaltige, organische Phase kann anschließend effizient, zum Beispiel durch überkritische Extraktion, aufgearbeitet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet dabei ein enormes Potential, Emulsionen aus biokatalytischen Prozessen (wie z.B. Ganzzell- Biotransformationen unter Verwendung von Mikroorganismen als Katalysatoren) zu trennen und mit geringem apparativem Aufwand und kostengünstig aufzuarbeiten. Dabei kann durch Verwendung von komprimierten oder überkritischen Gasen, wie z.B. komprimiertem Kohlendioxid als Lösungsmittel eine hohe Effizienz in weiteren Verfahrensschritten erzielt werden. Die Wirkung des komprimierten oder überkriti- sehen Gases wie etwa des Kohlendioxids basiert dabei wohl vornehmlich auf einer rein physikalischen Wechselwirkung mit den Bestandteilen der Emulsion, die zu einer gezielten Entmischung der Phasen (und Komponenten) der Emulsion führt und damit das sonst schwer auftrennbare Gemisch der Phasen (und Bestandteile) überhaupt erst technisch sinnvoll separierbar macht. Das hier vorgeschlagene Verfahren zur Aufarbeitung von Emulsionen aus Ganzzell-Biotransformationen mit komprimierten oder überkritischen Gasen wie etwa komprimiertem Kohlendioxid liefert dadurch eine erhebliche Verbesserung bei der Aufreinigung der beschriebenen Reaktionsgemische. Schon nach kurzer Durchmischung (2 min) der Emulsion mit dem komp- rimiθrten oder überkritischen Gas stellt sich das in Figur 3 dargestellte Phasenverhalten ein. Nach Einkomprimieren von z.B. Kohlendioxid in das Reaktionsgemisch ist nicht nur zu erkennen, dass sich die in der wässrigen Phase (IM) befindlichen Zellen (IV) am Boden des Gefäßes absetzen, sondern auch, dass sich die in der Inter-/ Emulsionsphase befindlichen Zellfragmente/ Makromoleküle (II) an der Phasengrenzfläche zwischen einer organischen Phase (I) und einer wässrigen Phase (III) sammeln. Dies geschieht nach Abschalten des Rührers innerhalb kürzester Zeit (typischerweise weniger als 2 Minuten). Das Volumenverhältnis von organischer zu wässriger Phase beträgt dabei vorteilhaft 1 : 1. Der durch die Aufarbeitung mit komp- rimierten oder überkritischen Gas wie etwa komprimiertem Kohlendioxid erhaltene Trennungszustand bleibt dabei auch nach Entspannung und Ausgasen des komprimierten oder überkritischen Gases (und erneuter Mischung) erhalten, so dass eine nachfolgende Separation sowohl bei Atmosphärendruck wie auch unter erhöhtem Druck stattfinden kann. Aus Gründen der Energieeffizienz kann es hier jedoch sinn- voll sein, eine weitere Trennung unter erhöhtem Druck vorzuziehen. Dies begründet sich vor allem daraus, dass neben konventionellen Trennverfahren zur Aufreinigung des Wertproduktes aus der organischen Phase auch eine Extraktion mit komprimiertem Kohlendioxid in Frage kommt.
Durch die Verwendung komprimierter oder überkritischer Gase kann darüber hinaus erreicht werden, dass je nach Zusammensetzung und Eigenschaften der Emulsion ein passendes komprimiertes oder überkritisches Gas oder etwa auch eine Mehrzahl derartiger Gase gleichzeitig in die Emulsion eingeleitet werden, um so die Trennung der Emulsion in die verschiedenen Phase zu ermöglichen. Das Verfahren ist daher grundsätzlich mit allen komprimierten oder überkritischen Gasen durchführbar, wobei besonders die günstig die Durchführung mit Kohlendioxid ist. Insoweit im weiteren hinsichtlich der Beschreibung des Verfahrens von dem komprimierten oder überkritischen Gas als Kohlendioxid gesprochen wird, ist dies immer als beispielhafte Abkürzung für den Terminus komprimiertes oder überkritisches Gas anzusehen und in dem Sinne zu interpretieren, dass neben oder alternativ zu dem ausdrücklich er- wähnten Kohlendioxid auch andere komprimierte oder überkritische Gase, ob einzeln oder als Gemische, gemäß den hier beschriebenen Angaben verwendet werden können. Von Vorteil ist es weiterhin, wenn als komprimiertes oder überkritisches Gas ein Gas verwendet wird, dessen kritische Daten ähnlich den kritischen Daten von Kohlendioxid ist. Da die Lösbarkeit von Kohlendioxid in Emulsionen besonders vorteilhaft für die Trennung der Emulsion ist, kann auch bei Verwendung komprimierter oder über- kritischer Gase mit ähnlichen kritischen Daten und/oder Lösungseigenschaften erwartet werden, dass sich eine entsprechende Separation der Phasen der Emulsion herbeiführen läßt. Hierbei ist unter Ähnlichkeit der kritischen Daten und/oder Lösungseigenschaften zu verstehen, dass in der Emulsion ähnliche Wirkungen herbeigeführt werden können, wie dies auch bei Kohlendioxid festgestellt werden konnte. Als nicht beschränkende Aufzählung derartig geeigneter Gase können die in der Figur 11 angegebenen Gase angesehen werden, die industriell für Hochtemperaturprozesse verwendet werden und damit auch für das hier beschriebene Verfahren grundsätzlich geeignet sein können. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass auch andere komprimierte oder überkritische Gase verwendet werden können. Sinn- voll ist die Verwendung anderer Gase als Kohlendioxid gerade auch dann, wenn abhängig von der Zusammensetzung der Emulsion das jeweilige Gas in dieser Emulsion besondere Lösungseigenschaften entwickelt und damit die Separation vereinfacht oder verbessert.
Besonders bevorzugt ist es, wenn als komprimiertes oder überkritisches Gas Pro- pan, Butan oder dgl. Gase verwendet werden. Die kritischen Daten und Lösungseigenschaften derartiger niedrigwertiger Kohlenwasserstoffe ist recht ähnlich zu der von Kohlendioxid und damit auch zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. Außerdem sind derartige Gase kostengünstig verfügbar und unweittechnisch weitgehend unproblematisch.
Denkbar ist es auch, dass anstelle eines einzelnen Gases ein Gemisch von zwei o- der mehr komprimierten oder überkritischen Gasen verwendet wird.
Weiterhin ist es denkbar, dass bei Verwendung von einem komprimierten oder überkritischen Gas mit schlechterer Lösungseigenschaft als Kohlendioxid in der Emulsion das Gas unter erhöhtem Druck in die Emulsion eingebracht und/oder die Emulsion separiert wird und damit die schlechteren Lösungseigenschaften zumindest teilweise kompensiert werden. Von besonderem Vorteil ist es dass die Zellen und Zellbestandteile sich am unteren Ende sowohl der wässrigen als auch der organischen Phase abscheiden. Hierdurch lässt sich gerätetechnisch einfach ein gezieltes Abziehen dieser Bestandteile (Phasen und Feststoffe) der Emulsion erreichen und eine entsprechende Verschleppung nicht gewünschter Bestandteile in die einzelnen Fraktionen vermeiden. Insbesondere können diese getrennten Phasen einer weiteren Aufreinigung insbesondere zur Gewinnung einer in zumindest einer der Phasen enthaltenen Wertsubstanz unterzogen werden. Als Wertsubstanz ist dabei jede Substanz innerhalb der Emulsion anzusehen, die ein gewolltes Ergebnis des biokatalytischen Prozesses darstellt und für eine entsprechende Verwendung in üblicherweise technisch bedingten Mengen zur Verfügung gestellt werden soll.
Selbstverständlich ist es ebenfalls denkbar, dass aus der entmischten Emulsion auch die wässrige Phase mit den abgeschiedenen Zellen und Zellbestandteilen sowie die organische Phase mit den abgeschiedenen Zellen und Zellbestandteilen se- parat abgezogen und jeweils getrennt einer weiteren Aufreinigung etwa durch Verfahren der Sedimentation oder dgl. zur Gewinnung der Zellen oder Zellbestandteile unterzogen werden kann.
In einer ersten denkbaren Ausgestaltung kann die Emulsion in sog. Batchbetrieb in einem Behälter mit dem komprimierten oder überkritischen Gas gemischt werden, woraufhin die Phasen sich in dem gleichen Behälter nach dem Mischen trennen und eine in dem Behälter geschichtete Anordnung der einzelnen Phasen oder Bestandteile bilden, wonach die Phasen oder Bestandteile aus den einzelnen Schichten separat aus dem Behälter abgezogen werden. Hierdurch ist nur ein einziger Behälter zur Mischung der Emulsion mit dem komprimierten oder überkritischen Gas sowie zur Trennung der einzelnen Fraktionen erforderlich, wodurch der gerätetechnische Aufwand minimiert wird.
Für eine kontinuierliche Trennung ist es in einer anderen Ausgestaltung auch denkbar, dass die Emulsion in einem ersten Behälter mit dem komprimierten oder überkritischen Gas intensiv gemischt wird und die dadurch hergestellte homogene Mi- schung aus Emulsion und komprimierten oder überkritischen Gas in einen zweiten Behälter verbracht wird, in dem sich die Phasen, vorzugsweise bei langsamem Ruh- ren, trennen und eine im zweiten Behälter geschichtete Anordnung der einzelnen Phasen oder Bestandteile bilden, wonach die Phasen oder Bestandteile aus den einzelnen Schichten separat aus dem zweiten Behälter abgezogen werden. Allerdings ist diese Lösung regelungstechnisch problematisch, da die Füllstände im zwei- ten Behälter und somit die Lage der Phasengrenzflächen konstant gehalten werden müssen.
In einer weiteren denkbaren Ausgestaltung zur Behebung dieses Problems wird die Emulsion in einem ersten Behälter mit dem komprimierten oder überkritischen Gas intensiv gemischt und die homogene Mischung aus Emulsion und komprimierten oder überkritischen Gas in einen zweiten Behälter verbracht, in dem sich die wässri- ge und die organische Phase, vorzugsweise bei langsamem Rühren, voneinander trennen, wonach die wässrige und die organische Phase separat aus dem zweiten Behälter in weitere Behälter abgezogen werden, in denen sich dann die Zellen und Zellbestandteile der wässrigen und der organischen Phase sowie das komprimierte oder überkritische Gas abtrennen lassen. Damit können die genannten Probleme der Prozesssteuerung verringert bzw. vermieden werden.
Denkbar ist es weiterhin, dass hierbei im ersten Behälter ein erhöhter Druck und eine erhöhte Temperatur herrschen und im zweiten Behälter die Trennung unter Umgebungsbedingungen abläuft. Je nach zu verarbeitender Emulsion kann es aber auch durchaus sinnvoll sein, wenn in beiden Behältern ein erhöhter Druck und eine erhöhte Temperatur herrschen.
Hinsichtlich der Einbindung der Trennung gemäß vorstehend geschildertem Verfahren in einen Gesamtablauf zur Gewinnung der einzelnen Fraktionen der Emulsion kann es sinnvoll sein, wenn nach der Biotransformation und vor der Trennung der Emulsion in die einzelnen Phasen eine direkte Aufarbeitung der Emulsion zur Gewinnung einer Wertsubstanz erfolgt. Hierdurch kann eine frühzeitige Abtrennung der Wertsubstanz herbeigeführt werden, die damit materialschonend erfolgt und wonach eine einfache Abtrennung der festen Bestandteile der Emulsion oder ein Recycling des Lösungsmittels erfolgen kann.
Denkbar ist es hierbei, dass die Aufarbeitung einen Extraktionsschritt zur Gewinnung einer Wertsubstanz, vorzugsweise aus der organischen Phase der Emulsion beinhal- tet. Derartige Extraktionen, auch unter Verwendung z.B. überkritischen Kohlendioxids als komprimiertes oder überkritisches Gas sind grundsätzlich bekannt und dienen z.B. vielfach zur Gewinnung von einzelnen Substanzen aus Pflanzenbestandteilen wie etwa bei der Gewürzgewinnung. Hierbei kann in weiterer Ausgestaltung die Wertsubstanz direkt aus der Emulsion herausgetrennt und separat und/oder mit Verunreinigungen gemeinsam abgezogen werden. Sinnvoll ist es hierbei, wenn nur die extrahierte Wertsubstanz und die organischen Lösemittel sowie komprimiertes oder überkritisches Gas aus der Emulsion heraus getrennt und separat abgezogen werden, um in einer gezielten Aufarbeitung eine vollständige Abtrennung der Wert- Substanz unter Rückgewinnung von Lösemittel und komprimiertem oder überkritischem Gas herbeizuführen.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn die Restemulsion in einer der direkten Extraktion der Wertsubstanz nachfolgenden Trennung unter Zugabe von komprimiertem oder überkritischem Gas weiter aufgetrennt und die Bestandteile der Restemulsion ge- trennt abgezogen werden. Auch hierdurch können erneut benutzbare Substanzen gezielt wiedergewonnen werden.
Denkbar ist es insbesondere, dass die Trennung von Wertsubstanz und komprimiertem oder überkritischem Gas durch schelle Druckabsenkung der aus der Emulsion heraus getrennten Bestandteile vorgenommen wird. Hierdurch gast das komprimierte oder überkritische Gas aus der Mischung mit der Wertsubstanz aus und kann in sehr reiner Form und auf energetisch einfache Weise wiedergewonnen werden.
Denkbar ist es auch, dass nach der Trennung der Emulsion mittels komprimiertem oder überkritischem Gas wie etwa Kohlendioxid eine Aufarbeitung nur der Phase mit den darin vorhandenen Zellbestandteilen durch ein Trennverfahren erfolgt, bei dem die Wertsubstanz und/oder komprimiertes oder überkritisches Gas von dem Lösungsmittel getrennt werden.
Als Trennverfahren kann etwa eine Extraktion mittels komprimiertem oder überkritischem Gas durchgeführt werden. Hierzu kann das bereits bei der Zell-/ Emulsionstrennung verwendete komprimierte oder überkritische Gas auch zur Extraktion ver- wendet werden. Dieses lässt sich nach der erfolgten Extraktion durch Druckerniedrigung leicht wieder zurückgewinnen und erneut im Prozess einsetzen. Alternativ zu Aufarbeitungen, die eine Extraktion enthalten, kann als Trennverfahren zur Trennung der Wertsubstanz aus einer organischen Phase ohne biogene Bestandteile auch mindestens ein Verfahrensschritt aus Chromatographie, Kristallisation, Destillation, Adsorption, Absorption, Membranverfahren oder Filtration oder Kom- binationen dieser Methoden verwendet werden.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt die Zeichnung.
Es zeigen:
Figur 1 - typische Anordnung der Phasen in einem Reaktionsgemisch nach der Biotransformation und nach Settling,
Figur 2 - typische Anordnung der Phasen in einem Reaktionsgemisch gemäß
Figur 1 nach längerer Zentrifugation,
Figur 3 - typische Anordnung der Phasen in einem Reaktionsgemisch nach der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
Figur 4 - eine erste bevorzugte Ausgestaltung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Trennung der koales- zenzgehemmten Emulsion,
Figur 5 - eine andere bevorzugte Ausgestaltung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Trennung der koa- leszenzgehemmten Emulsion in zwei Schritten,
Figur 6 - eine weitere bevorzugte Ausgestaltung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Trennung der koa- leszenzgehemmten Emulsion,
Figur 7 - eine erste Möglichkeit zur Realisierung der Produktaufarbeitung durch Emulsionstrennung nach erfolgter Extraktion des Wertproduktes, Figur 8 - eine andere Möglichkeit zur Realisierung der Produktaufarbeitung durch Emulsionstrennung vor einer Extraktion des Wertproduktes,
Figur 9 - eine weitere Möglichkeit zur Realisierung der Produktaufarbeitung durch Emulsionstrennung vor einer Isolation des Wertproduktes durch einen/mehrere weitere(n) Trennschritt(e),
Figur 10 - Extraktionsverhalten der Emulsion für eine Beispiellösung,
Figur 11 - eine Tabelle mit kritischen Daten ausgewählter Fluide, die im industriellen Einsatz zur Verwendung bei Hochdruck-Verfahrensprozessen genutzt werden und auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden können.
In den Figuren 4 bis 10 sind diverse Verfahrensabläufe aufgezeigt, mit denen eine aus einer Biotransformation entstandene Emulsion in ihre einzelnen Bestandteile separiert werden kann, wobei dieses Verfahren auch für den großtechnischen Einsatz besonders geeignet ist.
Im vorgestellten Verfahren wird die Zellsuspension aus einer Biotransformation (Phasen I, Il und III aus Figur 1) direkt in einen Druckbehälter gegeben (Figur 6) und auf ca. 45°C temperiert. Anschließend wird mit einer geeigneten Vorrichtung komprimiertes oder überkritisches Gas wie z.B. Kohlendioxid der Emulsion zudosiert, bis der Kohlendioxid-Anteil bezogen auf die Gesamtmasse etwa 75% beträgt. Der Druck der Mischung wird auf etwa 115-120 bar erhöht und diese für mindestens zwei Minuten intensiv durchmischt. Nach Abstellen des Rührers stellt sich die gewünschte Phasen- und Zellseparation im Druckbehälter ein, wie diese in Figur 3 schematisch dargestellt ist. Hierbei stellt die Phase IV eine aus der wässrigen Phase III abgetrennte Menge an Zellen dar. Anschließend kann das erhaltene System einer einfachen Trennung in einer oder zwei Settler-Einheiten unterzogen und/oder die organische Phase direkt einer nachfolgenden überkritischen Extraktion mit Kohlendioxid zugeführt werden, um daraus das eigentliche Wertprodukt zu erhalten.
Es konnte beobachtet werden, dass die Phasentrennung auch nach Ablassen des Kohlendioxids erhalten bleibt. So kann anschließend auch bei Atmosphärendruck υnd Raumtemperatur eine wesentlich verbesserte und schnellere Phasenseparation beobachtet werden. Die vormals in der Emulsion befindlichen Zellbestandteile (Phase I in Fig. 1 und Phase Il in Fig. 2) befinden sich nun an der Phasengrenzfläche zwischen wässriger Phase (Phase Il in Fig. 1 und Phase III in Fig. 2) und organischer Phase (Phase I in Fig. 2 und Fig. 3) und können leicht abgetrennt werden (Phase Il und für die Zellen Phase IV in Figur 3).
Untersuchungen an den Interphasen zwischen organischer Phase und wässriger Phase haben gezeigt, dass eine Veränderung feststellbar ist. So ist bereits bei 100- facher Vergrößerung unter dem Mikroskop zu erkennen, dass in der Emulsion vor der Behandlung mit Kohlendioxid eine Agglomeration der Zellbestandteile an der Phasengrenzfläche stattfindet. Nach der Behandlung mit komprimiertem Kohlendioxid ist dies unter dem Mikroskop bei gleicher Vergrößerung nicht mehr festzustellen. Es liegen im Gegenteil scharfe Phasengrenzflächen vor, wobei die vermutlichen Zellbestandteile homogen im unteren Bereich der organischen Phase I vorliegen.
Durch Verwendung von komprimiertem Kohlendioxid kann nach der Trennung der Emulsion eine Extraktion der Wertsubstanz durchgeführt werden, sofern sich die Wertsubstanz bei den gegebenen Bedingungen im Kohlendioxid löst.
Die beschriebene Aufarbeitung der Emulsion mit komprimierten oder überkritischen Gasen wie etwa Kohlendioxid kann in einem oder in mehreren Schritten erfolgen. In den Figuren 4 bis 6 sind hierfür mögliche Varianten skizziert.
Die Trennung der koaleszenzgehemmten Emulsion durch eine Mixer-Settler-Einheit, wie in Figur 4 gezeigt, ist regelungstechnisch problematisch, da die Füllstände und somit die Lage der Phasengrenzflächen konstant gehalten werden müssen, kommt aber mit wenigen Behältern aus. Hierzu wird das Reaktionsgemisch zusammen mit Kohlendioxid unter erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur in einen Druckbehälter M1 gegeben und dort intensiv durchmischt. Anschließend wird die homogene Emulsion in Behälter B1 gegeben, wo sich unter langsamem Rühren mit dem motorbetriebenen Mixer M eine Phasentrennung einstellt. Die jeweiligen Phasen können danach direkt abgezogen werden, um sie einer weiteren Aufreinigung zu unterziehen. Eine einfachere Regelung lässt sich realisieren, wenn man die Phasenseparation nach dem Mixer M nochmal unterteilt und zunächst nur die organische Phase mit Zellfragmenten/ Makromolekülen von der wässrigen Phase mit Zellen/ Biomasse trennt. Anschließend werden dann die festen Bestandteile aus den jeweiligen Pha- sen durch Sedimentation abgeschieden. Dieses Verfahren ist in Figur 5 skizziert. Hierin wird das Reaktionsgemisch zusammen mit Kohlendioxid unter erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur in einen Druckbehälter M1 gegeben und dort intensiv durchmischt. Anschließend wird die homogene Emulsion in Behälter B1 gegeben, wo sich unter weiterem Rühren eine Phasentrennung zwischen organischer Phase mit Zellfragmenten/ Makromolekülen und wässriger Phase mit Zellen/ Biomasse einstellt. Die jeweiligen Phasen können danach in die Behälter B2 - B4 überführt werden. In den Behältern B3 und B4 werden nun die Feststoffe durch Sedimentation abgetrennt.
Neben dem kontinuierlichen Betrieb in einer Mixer-Settler-Einheit, ist dabei auch der Batchbetrieb in einem einzigen Behälter denkbar, in dem zuerst für eine gewisse Zeit das Reaktionsgemisch unter Zudosierung von komprimiertem Kohlendioxid durchmischt wird und nach Abschaltung des Rührers/ Homogenisierers M die gravimetri- sche Trennung abgewartet wird. Auch hier können die jeweiligen Phasen danach direkt abgezogen werden (siehe Figur 6). Das Reaktionsgemisch wird zusammen mit Kohlendioxid unter erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur in einen Druckbehälter gegeben und für eine bestimmte Zeit intensiv durchmischt. Anschließend wird der Rührer/ Homogenisierer M abgeschaltet/ verlangsamt, so dass sich eine Phasentrennung einstellt. Die jeweiligen Phasen können danach direkt abgezogen werden, um sie einer weiteren Aufreinigung zu unterziehen.
Mit den durch eine der drei Varianten erhaltenen reinen Fraktionen kann nun weiter verfahren werden.
Für den Gesamtprozess einer Gewinnung der Wertsubstanz unter gleichzeitig möglichst vollständiger Rückgewinnung der Prozesssubstanzen kann es sinnvoll sein, die Trennung der Emulsion vor oder nach einer weiteren Aufarbeitung, z.B. einer Extrak- tion, des Wertproduktes durchzuführen. Alternativen zur Durchführung einer Pro- duktaufarbeitung ausgehend von der Biotransformation hin zum reinen Wertprodukt sind in den Figuren 7 bis 9 dargestellt.
Das in Figur 7 dargestellte Verfahren bietet dabei den Vorteil, dass das Wertprodukt direkt aus der Emulsion extrahiert werden kann. Ausgehend von der Biotransforma- tion wird die Emulsion unmittelbar in eine Extraktion überführt. Hier wird, z.B. durch komprimiertes Kohlendioxid unter erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur, das Wertprodukt direkt extrahiert. Durch Absenkung des Druckes fällt das Wertprodukt aus und das Kohlendioxid kann recycelt werden. Die verbliebene Emulsion wird der beschriebenen Phasentrennung mit komprimiertem Kohlendioxid unterzogen, wo- durch in weiteren Schritten eine einfache Abtrennung der festen Bestandteile, sowie ein Recycling des Lösungsmittels erfolgen können.
Allerdings ist der der Extraktion zugeführte Massenstrom groß. Vorheriges Abtrennen der wässrigen Phase, in der sich typischerweise so gut wie kein Wertprodukt befindet, kann diesen Massenstrom erheblich reduzieren, was zu einer effizienteren Aufarbeitung führen kann, wie dies in Figur 8 dargestellt ist. Ausgehend von der Biotransformation wird die Emulsion der beschriebenen Phasentrennung mit komprimiertem Kohlendioxid unterzogen, wobei die wässrige Phase mit Zellen/Biomasse abgetrennt wird. Die verbleibende organische Phase wird einem weiteren Aufreinigungsschritt (z.B. einer Extraktion mit komprimiertem CO2) unterzogen, bei dem die in der organischen Phase enthaltenen Feststoffe durch Sedimentation abgetrennt werden
Alternativ zu Aufarbeitungen, die eine Extraktion enthalten, sind, sofern die organische Phase nach der Phasentrennung mit komprimiertem Kohlendioxid frei von bio- genen Stoffen vorliegt, auch andere Trennverfahren oder beliebige Kombinationen davon zur Isolation des Wertproduktes möglich. Hierzu eignen sich verschiedenste Verfahren wie Chromatographie, Kristallisation, Destillation, Adsorption, Absorption, Membranverfahren, und Filtration. Allgemein ist diese Variante in Figur 9 dargestellt. Ausgehend von der Biotransformation wird die Emulsion der beschriebenen Phasentrennung mit komprimiertem Kohlendioxid unterzogen, wodurch die wässrige Phase mit Zellen/Biomasse abgetrennt wird. Die verbleibende organische Phase wird einem weiteren Aufreinigungsschritt unterzogen, bei dem die in der organischen Phase ent- haltenen Feststoffe durch Sedimentation abgetrennt werden. Anschließend wird die so erhaltene reine organische Phase einem/mehreren weiteren Trennschritt(en) zur Gewinnung des Wertproduktes unterzogen.
In der Figur 10 ist beispielhaft das Extraktionsverhalten der Emulsion bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgezeigt. Aufgetragen ist die Konzentration der angegebenen Stoffe in der organischen Phase. Es ist zu erkennen, dass die mit 75 Massen-% CO2-behandelte Emulsion im Gegensatz zur ursprünglichen Emulsion eine wesentlich verminderte Konzentration an der Wertsubstanz Styroloxid aufweist.
Betrachtet wurde beispielhaft ein Zweiphasensystem nach der Phasentrennung ge- maß des zuvor vorgeschlagenen Verfahrens. Dieses bestand aus einer wässrigen Phase, sowie Bis-2(ethylhexyl)phthalat als Hauptbestandteil der organischen Phase, in der neben dem Wertprodukt Styroloxid auch Oktan, Styrol sowie 2-Phenylethanol vorhanden waren. Beide Phasen wurden vor bzw. nach Behandlung mit Kohlendioxid mittels Gaschromatographie analysiert. Die Konzentration der Wertsubstanz Styroloxid in der organischen Phase ging durch die Behandlung mit Kohlendioxid stark zurück; in der wässrigen Phase konnte Styroloxid gar nicht nachgewiesen werden. Styroloxid wurde offensichtlich in die kohlendioxidreiche Phase extrahiert.
In der Figur 11 ist in einer Tabelle eine Auflistung mit kritischen Daten ausgewählter Fluide zu erkennen, die im industriellen Einsatz zur Verwendung bei Hochdruck- Verfahrensprozessen genutzt werden und auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden können. Hierbei ist diese Tabelle nur beispielhaft angeführt und beschränkt die Verwendung anderer komprimierter oder überkritischer Gase in dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht.
Referenzen
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Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Aufarbeitung einer koaleszenzgehemmten Emulsion, aufweisend Bestandteile aus Ganzzell-Biotransformationen wie Zellen, lösliche Zellbestandteile, organische Lösungsmittel und/oder Wasser,
5 dadurch gekennzeichnet, dass
die nach der Biotransformation stabile, koaleszenzgehemmte Emulsion in einem Behälter mit mindestens einem komprimierten oder überkritischen Gas im Überschuss versetzt und bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur für eine vorgebbare Zeitdauer mit dem komprimierten oder überkritischen Gas gemischto wird, wonach sich die wässrige und die organische Phase der Emulsion voneinander trennen und sich die Zellen und Zellbestandteile sowohl der wässrigen als auch der organischen Phase im Bereich von deren Phasengrenzflächen getrennt abscheiden und anschließend separiert werden.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als kompri-5 miertes oder überkritisches Gas Kohlendioxid verwendet wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als komprimiertes oder überkritisches Gas ein Gas verwendet wird, dessen kritische Daten ähnlich den kritischen Daten von Kohlendioxid ist.
4. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als kompri-o miertes oder überkritisches Gas ein Gas verwendet wird, dessen Lösungseigenschaften in der Emulsion ähnlich den Lösungseigenschaften von Kohlendioxid ist.
5. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als komprimiertes oder überkritisches Gas Propan, Butan oder dgl.5 Gase verwendet wird.
6. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gemisch von zwei oder mehr komprimierten oder überkritischen Gasen verwendet wird. - 2 -
7. Verfahren einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung von einem komprimierten oder überkritischen Gas mit schlechterer Lösungseigenschaft als Kohlendioxid in der Emulsion das Gas unter erhöhtem Druck in die Emulsion eingebracht und/oder die Emulsion sepa- riert wird.
8. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ganzzell-Biotransformationen unter Verwendung von Mikroorganismen als Katalysatoren ausgeführt werden.
9. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass Zellen und Zellbestandteile sich am unteren Ende sowohl der wäss- rigen als auch der organischen Phase abscheiden.
10. Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die am unteren Ende der wässrigen und der organischen Phase abgeschiedenen Zellen und Zellbestandteile getrennt abgezogen und die flüssigen Phasen einer weiteren Aufreinigung, insbesondere zur Gewinnung einer in zumindest einer der Phasen enthaltenen Wertsubstanz, unterzogen werden.
11. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wässrige Phase mit den abgeschiedenen Zellen und Zellbestandteilen sowie die organische Phase mit den abgeschiedenen Zellen und Zellbe- standteilen separat abgezogen und einer weiteren Aufreinigung unterzogen werden.
12. Verfahren gemäß Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die abgeschiedenen Zellen und Zellbestandteile durch Sedimentation und/oder Zentrifu- gieren abgetrennt werden.
13. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass je Massenanteil Emulsion mindestens zwei, vorzugsweise mindestens drei Massenanteile Kohlendioxid hinzugegeben werden. - 3 -
14. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das komprimierte oder überkritische Gas, vorzugsweise das Kohlendioxid, bei einem Druck oberhalb des Umgebungsdrucks, vorzugsweise oberhalb von 78 bar, besonders bevorzugt oberhalb von 115 bar, der Emulsion zu- gesetzt und/oder auf diesem Druck beim Mischen mit der Emulsion gehalten wird.
15. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das komprimierte oder überkritische Gas, vorzugsweise das Kohlendioxid, bei Temperaturen oberhalb der Umgebungstemperatur, vorzugsweise oberhalb von 31 0C, besonders bevorzugt oberhalb von 45°C der Emulsion zugesetzt und/oder bei dieser Temperatur beim Mischen mit der Emulsion gehalten wird.
16. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Emulsion mit dem komprimierten oder überkritischen Gas, vor- zugsweise mit dem Kohlendioxid für eine vorgebbare Zeitdauer von mindestens
1 Minute, vorzugsweise 2 Minuten gemischt wird.
17. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Emulsion in einem Behälter mit dem komprimierten oder überkritischen Gas, vorzugsweise dem Kohlendioxid, gemischt wird und die Phasen sich in dem gleichen Behälter nach dem Mischen trennen und eine in dem Behälter geschichtete Anordnung der einzelnen Phasen oder Bestandteile bilden, wonach die Phasen oder Bestandteile aus den einzelnen Schichten separat aus dem Behälter abgezogen werden.
18. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Emulsion in einem ersten Behälter mit dem komprimierten oder überkritischen Gas, vorzugsweise dem Kohlendioxid, intensiv gemischt wird und die dadurch hergestellte homogene Mischung aus Emulsion und komprimiertem oder überkritischem Gas in einen zweiten Behälter verbracht wird, in dem sich die Phasen, vorzugsweise bei langsamem Rühren, trennen und eine in dem zweiten Behälter geschichtete Anordnung der einzelnen Phasen oder Bestand- - 4 - teile bilden, wonach die Phasen oder Bestandteile aus den einzelnen Schichten separat aus dem zweiten Behälter abgezogen werden.
19. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Emulsion in einem ersten Behälter mit dem komprimierten oder über- kritischen Gas, vorzugsweise dem Kohlendioxid, intensiv gemischt wird und die homogene Mischung aus Emulsion und komprimiertem oder überkritischem Gas in einen zweiten Behälter verbracht wird, in dem sich die wässrige und die organische Phase, vorzugsweise bei langsamem Rühren, voneinander trennen und die wässrige und die organische Phase separat aus dem zweiten Behälter in weitere Behälter abgezogen werden, in denen sich dann die Zellen und Zellbestandteile der wässrigen und der organischen Phase sowie das komprimierte oder überkritische Gas, vorzugsweise das Kohlendioxid wieder voneinander absetzen und abgezogen werden.
20. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Behälter im Vergleich zu Normalbedingungen ein erhöhter
Druck und eine erhöhte Temperatur herrschen und in dem zweiten Behälter die Trennung unter Umgebungsbedingungen abläuft.
21. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten und dem zweiten Behälter ein erhöhter Druck und eine er- höhte Temperatur herrschen.
22. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Biotransformation und vor der Trennung der Emulsion in die einzelnen Phasen eine direkte Aufarbeitung der Emulsion zur Gewinnung einer Wertsubstanz aus der Emulsion erfolgt.
23. Verfahren gemäß Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufarbeitung einen Extraktionsschritt zur Gewinnung einer Wertsubstanz, vorzugsweise aus der organischen Phase der Emulsion beinhaltet. - 5 -
24. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Wertsubstanz direkt aus der aufgearbeiteten Emulsion herausgetrennt und separat und/oder mit Verunreinigungen gemeinsam abgezogen wird.
25. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass nur die extrahierte Wertsubstanz und die organischen Lösemittel sowie
Kohlendioxid aus der Emulsion heraus getrennt und separat abgezogen werden.
26. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 22 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufarbeitung komprimiertes oder überkritisches Gas, vorzugsweise Kohlendioxid für eine Extraktion der Wertsubstanz in die Emulsion eingeleitet wird, wonach die extrahierte Wertsubstanz und Verunreinigungen aus der E- mulsion abgezogen und weiter aufgearbeitet werden.
27. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Restemulsion in einer der direkten Extraktion der Wertsubstanz nach- folgenden Trennung unter Zugabe von komprimiertem oder überkritischem
Gas, vorzugsweise von Kohlendioxid weiter aufgetrennt und die Bestandteile der Restemulsion getrennt abgezogen werden.
28. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Wertsubstanz und ggf. mit der Wertsubstanz heraus getrennte andere Substanzen der Emulsion oder das komprimierte oder überkritische Gas einer weiteren Aufarbeitung derart zugeführt wird, dass die Wertsubstanz und die anderen Substanzen getrennt und das komprimierte oder überkritische Gas, zurück gewonnen wird.
29. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 22 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennung von Wertsubstanz und komprimiertem oder überkritischem
Gas durch vorzugsweise schnelle Druckabsenkung der aus der Emulsion heraus getrennten Bestandteile vorgenommen wird.
30. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 22 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Trennung der Emulsion mittels komprimiertem oder überkriti- - 6 - schem Gas eine Aufarbeitung nur der Phase mit den darin vorhandenen Zellbestandteilen durch ein Trennverfahren erfolgt, bei dem die Wertsubstanz und/oder komprimiertes oder überkritisches Gas von dem Lösungsmittel getrennt wird.
31. Verfahren gemäß Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass als Trennverfahren eine Extraktion mittels komprimiertem oder überkritischem Gas durchgeführt wird.
32. Verfahren gemäß Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass als Trennverfahren zur Trennung der Wertsubstanz aus einer organischen Phase ohne bio- gene Bestandteile mindestens ein Verfahrensschritt mittels Chromatographie,
Kristallisation, Destillation, Adsorption, Absorption, Membranverfahren oder Filtration oder Kombinationen dieser Methoden verwendet wird.
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